High-power fiber lasers have emerged as a cornerstone in the realm of laser technology. Characterized by their exceptional efficiency, ruggedness, and versatility, fiber lasers are experiencing widespread use in manufacturing, medical, defense, science, and in long range sensing. Unfortunately, high-power applications require strict spatial and spectral performance characteristics to be maintained, which has yet to be perfected. This dissertation discusses the power scaling of ytterbium-doped fiber laser amplifiers, presenting three significant advancements. First, a novel photonic lantern-based method is introduced for real-time monitoring of laser beam modal content and beam quality. Initial tests highlight the photonic lantern's efficiency in predicting the onset of modal instability while simultaneously measuring the laser's output beam quality, M2. Second, this work achieved 2.2 kW single-mode narrow-linewidth laser delivery through a 5-tube nested antiresonant hollow core fiber, maintaining over 95% transmission efficiency and near diffraction-limited beam quality. Lastly, this research explores active-gain fiber designs to mitigate nonlinear effects for further power scaling. One design employing confined-doping strategies, achieving a 2.4x increase in the maximum output power before the onset of stimulated Brillouin scattering. Additionally, a second experiment employing a bend-insensitive fiber design demonstrated a transverse modal instability threshold nearly 3x that of its step-index counterpart. Collectively, this work presents a novel approach to power scale, deliver, and monitor multi-kW Yb-doped fiber laser amplifiers enabling the next-generation of applications requiring the strictest spatial and spectral performance.

Seit 1998 werden am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (HZB) in Kooperation mit der Charité-Universitätsmedizin Berlin Augentumore mit Protonen bestrahlt. Dazu beschleunigt ein Zyklotron, welches hauptsächlich für die Therapie genutzt wird, die Protonen auf eine Energie von 68MeV. Neben dem Therapieplatz existiert auch ein Experimentierplatz zu Forschungszwecken. Die Strahlaufbereitung erfolgt in beiden Anwendungsgebieten primär durch passives Aufstreuen des Strahls mit einer einzelnen Streufolie. Dies führt jedoch zu erheblichen Strahlverlusten, die die erreichbare Strahlintensität bzw. Dosisleistung im Feld limitieren. Ziel dieser Arbeit ist es, einen Bestrahlungsplatz mit aktiver, dreidimensionaler Strahlführung aufzubauen, um eine möglichst effiziente Strahlstromnutzung zu ermöglichen und flexibel auf Anforderungen an das Bestrahlungsfeld eingehen zu können. Zu diesem Zweck wurde ein Modell entwickelt, welches unter Berücksichtigung verschiedener Parameter der Messgeometrie, Strahlcharakteristik und Felderzeugung Strahlprofile berechnet. Dieses Modell wurde im Vergleich mit Monte-Carlo Simulationen und Messungen getestet und verifiziert. Anschließend konnten Untersuchungen zur Positionierung der verwendeten Komponenten durchgeführt sowie deren Einflüsse auf Penumbra, Homogenität und Transmission der Strahlfelder analysiert werden. Es zeigte sich, dass die hohen klinischen Anforderungen für die Anwendung in der Augentumortherapie am HZB erfüllt werden können, sofern stärkere Magnetspulen verwendet werden. Mit Hilfe des Modells wurden für einen optimierten Aufbau Strahlprofile berechnet und charakterisiert. Es konnte so gezeigt werden, dass unter diesen optimierten Bedingungen eine Anwendbarkeit des aktiven Systems in der Augentumortherapie möglich ist. Des Weiteren wurde im Verlauf dieser Arbeit ein statischer Modulator für den Bestrahlungsplatz am HZB entwickelt, mit Hilfe eines 3D-Druckers hergestellt und erfolgreich getestet. / Since 1998, ocular tumours have been irradiated with protons at the Helmholtz- Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (HZB) in cooperation with Charité-Universitätsmedizin Berlin. For this purpose a cyclotron is operated which accelerates protons to an energy of 68MeV and is mainly used for therapy purposes. In addition to the therapy station there is also an experimental station for research purposes. In both application areas, beam delivery is primarily achieved by passive scattering using a single scattering foil. However, this leads to considerable beam losses, which in turn limit the maximum beam intensity or dose rate in the irradiation field. The aim of this work is to construct an irradiation setup with active three-dimensional beam delivery in order to enable the most efficient possible use of beam current and to be able to respond flexibly to different irradiation field requirements. Therefore, a model was developed which calculates beam profiles taking into account various parameters of the measurement geometry, beam characteristics and field generation. This model was tested and verified in comparison with Monte Carlo simulations and measurements. Subsequently investigations into the positioning of the components used could be carried out and their influences on penumbra, homogeneity and transmission of the beam fields analysed. It was found that the high clinical requirements in terms of maximum penumbra and field homogeneity for the application in eye tumour therapy at HZB can be met if stronger magnetic coils were used. Model calculations were used to calculate and characterize different beam profiles for an optimized setup. It could be shown that under these optimized conditions an applicability of the active system in eye tumour therapy is possible. Furthermore, a static modulator for the irradiation site at HZB was developed in the course of this work, manufactured using a 3D printer and successfully tested.